稀土掺杂磷酸盐基发光材料性能及微结构探究

【摘要】稀土发光材料现今已被应用于多个领域，如照明和电子信息领域，紫外消毒、医疗保健、夜光显示和模拟自然光全光谱光源等特种光源和器材生产领域。对稀土发光材料的制备、光谱特性以及潜在应用的研究也越来越得到重视。其中，稀土掺杂碱土正磷酸盐及焦磷酸盐发光材料因其显著的物理化学稳定性及较好的发光性能而受到关注。此外，Eu3+离子做为稀土发光材料的激活剂离子也得到广泛的研究。本文选用碱土正磷酸盐和焦磷酸盐作为Eu（Eu2+，Eu3+)及Ce3+、Tb3+离子掺杂的基质材料。利用XRD对样品的结构进行了表征。通过对激发和发射光谱，发光衰减以及发光的热稳定性的测试对样品的发光性能进行了研究。同时，利用Eu3+作为结构探针并结合位置选择激发和发射光谱对样品的微结构进行了分析。首先，采用高温固相法合成制备了Eu2+和Eu3+掺杂的MgZn2(PO4)2样品，XRD结果表明样品均为纯相。在紫外及真空紫外波段测定了样品的激发光谱，同时测得了样品的发射光谱和荧光衰减曲线。结果表明，MgZn2(PO4)2:Eu2+发射出蓝绿色光且有两个不同的发光中心（450nm和550nm），而MgZn2(PO4)2:Eu3+发射出的则是红橙色光。Eu2+在MgZn2(PO4)2:Eu2+中有两种晶体学格位，Eu2+同时取代Mg2+和Zn2+。而Eu3+在MgZn2(PO4)2:Eu3+晶格中仅有一种晶体学格位。本文通过位置选择激发和发射光谱以及Eu3+的5D0→7F0发光衰减曲线对Eu3+的占位进行了分析和确认。Eu3+占据MgZn2(PO4)2晶格中Mg2+位置。在MgZn2(PO4)2晶格中，Eu2+和Eu3+的占位是不同的。通过对样品发光性能的研究以及结合对样品微结构的剖析，讨论了样品的发光热稳定性能。然后，采用高温固相法合成制备了Ce3+，Tb3+单独掺杂以及共掺杂MgZn2(PO4)2样品，利用XRD对样品的结构进行了分析。利用SEM对样品的微观形貌进行了表征。同时测定了样品的激发和发射光谱。在327nm的激发光下，Ce3+单掺杂的MgZn2(PO4)2样品发射出长波紫外光。Tb3+单独掺杂MgZn2(PO4)2样品，Tb3+发光的能量分布取决于Tb3+浓度。低浓度Tb3+掺杂样品，其发光同时来自于Tb3+的5D3能级和5D4能级。而高浓度掺杂样品，来自于5D3能级的发光将慢慢淬灭，而来自于5D4能级的发光则增强，以5D4→7F5为主要发射。Ce3+，Tb3+共掺杂MgZn2(PO4)2样品，在紫外激发下发射绿色光。本章还对Ce3+与Tb3+间的能量传递机制进行了研究。最后，采用高温固相法合成制备出了Eu3+掺杂的SrZnP2O7样品，XRD结果表明样品均为纯相。本文研究了样品的位置选择激发和发射光谱以及Eu3+的5D0→7F0发光衰减曲线。此外，对Eu3+在SrZnP2O7晶格中的占位情况也进行了系统地研究。Eu3+在SrZnP2O7晶格中占据不同的晶体学格位，Eu3+能够同时取代Sr2+和Zn2+，占据这两种不同的晶体学格位的Eu3+间存在着能量转移，能量是从占据Sr2+所在位置的Eu3+转移至占据Zn2+所在位置的Eu3+。同时，还对样品中可能出现的缺陷以及电荷补偿机制进行了讨论。对Eu3+占据SrZnP2O7晶格将可能出现的电荷补偿基质提出了两种假设：一是，Eu3+占据Sr2+或Zn2+位置，产生一个Sr2+或Zn2+空位，再形成一个偶极子复合物[2(Eu3+Sr)-V″Sr]或[2(Eu3+Zn)-V″Zn]。另一种则是产生一个间隙氧，再形成一个偶极子复合物[2(Eu3+Sr)-O″i]或[2(Eu3+Zn)-O″i]。本文的创新点在于对Eu(Eu2+，Eu3+)掺杂的碱土正磷酸盐和焦磷酸盐体系发光材料的发光性能、微结构以及其潜在应用进行了系统性的研究。并采用位置选择激发和发射光谱对Eu3+在基质中晶体学位置的分布进行了研究。同时还研究了在Ce3+及Tb3+掺杂正磷酸盐发光材料的发光性能及能量转移机制。对于其他稀土发光材料的进一步开发和应用提供了重要的参考和依据。
【作者】徐传艳；
【导师】李亚东；
【作者基本信息】苏州大学，材料学，2014，硕士
【关键词】碱土正磷酸盐；焦磷酸盐；Eu2+；Eu3+；Ce3+；Tb3+；微结构；发光性能；

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